半橋逆變電路中的脈沖變壓器設(shè)計(jì)

隨著能源的日益緊張，節(jié)能高效的電子產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用，在日常照明中，電感式鎮(zhèn)流器因?yàn)樾实?，體積大而逐漸被淘汰，而高頻電子鎮(zhèn)流器越來越得到推廣。圖 1 為電子鎮(zhèn)流器的基本電路，其工作原理如下：半橋逆變電路電子鎮(zhèn)流器電路由整流濾波電路、觸發(fā)電路、高頻振蕩電路和 LC 串聯(lián)輸出電路組成。在電路中，由整流橋VD1-V D4 和濾波電容器 C1 組成整流濾波電路；由電阻器 R6、電容器 C3 和雙向二極管 V3 組成觸發(fā)電路；由晶體管 V1、V2、二極管 V D5-VD7、電阻器 R1-R5、電容器 C2 和脈沖變壓器 T(W1-W3) 組成高頻振蕩電路；由限流電感器 L，電容器 C4，C5 和熒光燈管 EL 組成 LC 串聯(lián)輸出電路。在接通電源后，交流 220V 電壓經(jīng) VD1-V D4 整流及 C1 濾波后，為高頻振蕩電路提供 300V 左右的直流電壓。該直流電壓還經(jīng) R6 對(duì) C3 充電，當(dāng) C3 兩端電壓充至 V3 的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，V3 迅速導(dǎo)通，C3 上所充電荷經(jīng) V3 對(duì) T 的 W3 繞組放電，在T的耦合作用下，V1 和 V2 交替導(dǎo)通與截止，高頻振蕩器振蕩工作。高頻振蕩器振蕩后，在 C2 兩端之間產(chǎn)生一個(gè)近似正弦波的交變高頻電壓，此電壓經(jīng) C4、L1 加在 EL 的燈絲電壓，當(dāng) C5 兩端電壓達(dá)到 EL 的放電電壓時(shí)，燈管啟輝點(diǎn)亮。
在電路中，W1-W3 是由繞制在同一個(gè)磁心上的變壓器 T 組成的脈沖變壓器。半橋逆變電路的電子鎮(zhèn)流器中，脈沖變壓器一般均采用環(huán)形磁心制作的變壓器，為能產(chǎn)生良好的振蕩波形，就需要選取磁滯曲線更接近矩形的材質(zhì)，從而使變壓器在工作時(shí)可以在很快的進(jìn)入與退出飽和狀態(tài)。
2 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)
因?yàn)榇判牡?B-H 決定了磁環(huán)進(jìn)入與退出飽和狀態(tài)的時(shí)間，所以，脈沖變壓器磁心與初級(jí)繞組的圈數(shù)及初級(jí)繞組的電壓對(duì)半橋逆變電路的工作頻率有著決定性的影響。
在理論上根據(jù)法拉地定律所產(chǎn)生的振蕩頻率為[1]:
(1)
其中：
fc 為產(chǎn)生的振蕩頻率，單位為 Hz；
VP 為脈沖變壓器初級(jí)的電壓，單位為 V；
kf 為波形系數(shù)，方波取 4.0 正弦波取 4.44，這里按實(shí)際工作波形取 4.0；
Bs 為磁心的飽和磁通密度，單位為 T；
Ae 為磁心的有效截面積，單位為 cm2;
電源在工作過程中，因?yàn)殚_關(guān)晶體管在開關(guān)過程中也需要一定的集電極存儲(chǔ)時(shí)間 Ts，所以設(shè)半橋逆變器的實(shí)際開關(guān)頻率為 fc，開關(guān)管的實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間為 Ton 則應(yīng)存在以下關(guān)系[2]：
(2)
其中：Ton ，Ts 單位為秒，因?yàn)樵趯?shí)際工作中開關(guān)晶體管在振蕩過程中循環(huán)導(dǎo)通，所以實(shí)際的導(dǎo)通時(shí)間為磁心振蕩頻率的 1/2 ；
為了便于計(jì)算磁心工作在飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)所需要的圈數(shù)，我們需要引用磁場(chǎng)強(qiáng)度的方程式進(jìn)行計(jì)算，具體如下：
(3)
其中：
Hs 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為：Oe；
N 為變壓器初級(jí)銅線的圈數(shù)；
Ip 為變壓器初級(jí)的電流，一般取燈管峰值的 0.5 倍，電流的單位為 A；
le 為磁心的有效磁路長(zhǎng)度，單位為 cm；
Hs 為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位 A/cm
設(shè)半橋逆變電路的交流電壓 uin 為 220V 輸入，經(jīng)過橋式整流及電容濾波后直流總線電壓為 Uin=300V，設(shè)計(jì)的振蕩頻率為 f=35kHz，燈管功率為 WL=55W，觸發(fā)電壓為 Upeak=800V，正常工作后電壓為 UL=100V，晶體管選用MOTOROLA BUL45。
則可以計(jì)算出燈管正常工作后的電流 I1 可計(jì)算得出： ，此電流可近似看為正弦波，其峰值電流為：ILP=IL×=0.55A×≈0.78A
變壓器的初級(jí)電流 IP=0.5×ILP=0.39A
根據(jù)（式3）可看出脈沖變壓器的匝數(shù)需要根據(jù)所選用的磁心來確定，下面以東磁高導(dǎo)磁心為例說明。
在使用高導(dǎo)磁環(huán)制作電子鎮(zhèn)流器脈沖變壓器，從 B-H 曲線及初始磁導(dǎo)率，居里溫度等綜合考量，一般選取R5K或 R7K 的磁心來制作，其中又以 R5K（即 μi=5000）為主，東磁提供的磁環(huán)性能參數(shù)如下：
編號(hào)AB
型號(hào) H6.3×3.8×2.5P
H10×6×5

ΦA(chǔ)(mm)
6.3±0.15
10.0±0.3

ΦB(mm)
3.8±0.15
6.0±0.3

C(mm)
2.5±0.15
5.0±0.3

le(mm)
15.2
24.1

Ae(mm2)
3.06
9.3

Hs(A/cm)
0.40
0.40

Bs(T)
0.51
0.51

AL (R5K)
12602550